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12球称重问题

12球称重问题

思路

总共12个球,天平称3次,找出坏的球(可能重也可能轻)

  1. 总共12个球,只有12x2=24个可能的结果
  2. 每次天平可以得到3个结果:左重右轻,右轻左重,平衡,称3次,可得3x3x3=27中结果,大于24,实现的可能性是存在的
  3. 每一次称重实际上是在排除不可能的条件

第一次称重,假设天秤一边放n个球,那么可以得到:

不平衡:实际上是排除了剩下的所有球的可能性和称上的球的一半可能性

可得公式:(12-2n)x2 + 2n = 24-2n

Ps:比如左右各1个球A和B,不平衡实际上只剩下了2种可能:重的是坏的,轻的是坏的,从4种可能性里排除了2个

平衡: 实际上是排除了称上的所有球的可能性

可得公式: 2n x 2=4n

天平剩余次数2,可继续得结果数3x3=9

带入公式:

  1. 当n=1时,不平衡排除了4个可能的结果,平衡时排除了22个,最差情况是排除4个结果,还剩20个,大于9,肯定求不出来
  2. 当n=2时,不平衡排除了8个可能的结果,平衡时排除了20个,最差情况是排除8个结果,还剩16个,大于9,肯定求不出来
  3. 当n=3时,不平衡排除了18个可能的结果,平衡时排除了12个,最差情况是排除12个结果,还剩12个,大于9,肯定求不出来
  4. 当n=4时,不平衡排除了16个可能的结果,平衡时排除了16个,最差情况是排除16个结果,还剩8个,小于9,可能求出来
  5. 当n=5时,不平衡排除了14个可能的结果,平衡时排除了20个,最差情况是排除14个结果,还剩10个,大于9,肯定求不出来
  6. 当n=6时,不平衡排除了12个可能的结果,不可能平衡,最差情况是排除12个结果,还剩12个,大于9,肯定求不出来

所以第一次必然只能选择n=4的情况。

然后再继续分析,当n=4时,分为三种情况:

  1. 平衡:只有剩下的4个球里有坏球的8种可能

    1. 如果是剩下4个球内部称,同第一次称,排除的结果数的公式是min((8-2n),4n),n=1,2,结果只能是4,最差情况还剩4种结果,但是下一次称只有3个结果,求不出来
    2. 所以只能引入之前已经称过的球,由于已知这些球都是好球,那么把n个球放左边,n个好球放右边
    3. 平衡的时候,证明n个球都是好球,排除了2n个结果,不平衡则证明里面有坏球,排除了(4-n)x2+n=8-n个结果
    4. 公式变成了min(2n,(8-n))
    5. 带入n=1,2,3,4,当n=3时最大=5,且剩余可能结果=3 ,还有一次天平的结果数=3,可求出最终结果
    6. 所以第二次称是拿3个好球和3个未知球称
      1. 如果不平衡,3个里面有坏球,且知道了坏球是轻还是重,最后一次3选2放上天平即可
      2. 如果平衡,那么最后一个没上称的球就是坏球,和好球称即可知道是轻还是重
  2. 左重右轻:只剩下左边4个有坏球且重和右边4个有坏球且轻 这8钟可能

    1. 这里的解法很多,核心思想是这一轮要把可能性减到3或以内(因为下一次上天平只能拿到3个结果)
    2. 继续沿用之前的想法,天平一侧放好球,另一侧放未知球,假设左右两边取的球数相同,都是n
      1. 那么,平衡的时候,称上的都是好球,排除了2n个可能,不平衡的时候,排除了8-2n+n=8-n个可能
      2. 公式变成了min(2n,8-n)
      3. 带入n=1,2,3,4,当n=3时最大,且剩余可能结果=3 ,还有一次天平的结果数=3,可求出最终结果
      4. 但是,我们只有4个好球,上面的解法可能不太符合条件,需要再优化一下
    3. 根据上面的方案,我们需要减掉至少2个好球的使用,那么一边最多5个
      1. 如果一边是5个未知球,一边是4个好球+一个未知球
      2. 如果平衡,6个球都是好的,排除了6个结果
      3. 如果不平衡,没上称的2个未知球是好的,5个未知球里至少能排除2个结果(因为5个球分配是3+2,他们是互斥的,另一边凑数的无法排除)
      4. 最差情况只能排除4个结果,不符合条件
    4. 既然一边5个球不行,那就再减2个,一边4个球
      1. 取两个左边的和两个右边的组成一组,然后两侧未知球再各取一个+2个好球
      2. 如果平衡,6个球都是好的,排除6个结果
      3. 如果不平衡,没上称的2个是好的,由于在天平同一侧的结果是互斥的,每次可以排除2+1=3个结果
      4. 最差情况可以排除5个结果,最多只剩下了3种可能性,可以求出解
      5. 取里面的两个放上天平,即可知道最终结果
    5. 其实可以继续优化,可以得到其他解
      1. 取左右各2个球组成一个组,然后取3个好球和随机一个未知球为一组,放上天平
      2. 那么会出现3种情况:
      3. 平衡:证明天平两侧的5个未知球都是好的,排除5个可能,剩下3个
      4. 左重右轻:证明下面3个未知球是好的,排除3个可能,且由于我们的组合里有两个轻可能和2个重可能,他们是不能共存的,我们至少可以再排除掉2个可能,也能排除5个可能
      5. 右轻左重:同上
      6. 那么这样,经过第二次称,最多只剩下了3种可能性
    6. 还有其他优化方向,这里有多个解,比如天平上一边3个球的解法
    7. 核心就是天平同一侧的不同组球互斥,同和和另一侧的同组球也互斥,按照这个思路去分配球即可
  3. 右轻左重:只剩下左边4个有坏球且轻和右边4个有坏球且重 这8钟可能

    1. 同上,略